Как развивается мозг? Изучением процесса на молекулярном уровне занимается научная группа Института Броудов (Broad Institute of MIT and Harvard — некоммерческий исследовательский институт, работающий в партнёрстве с Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом). Передовые технологии изучения генома позволили получить данные об изменениях с течением времени активности генов, ответственных за развитие части мозга, в которой обрабатывается сенсорная информация.
Полученные сведения существенно расширили наши знания о строении и формировании коры головного мозга.
«Мы давно заинтересованы в понимании хода развития коры головного мозга млекопитающих, поскольку она является местом, отвечающим за мышление высшего порядка и той частью мозга, которая наиболее расширилась и диверсифицировалась в ходе эволюции человека, — говорит одна из авторов исследования, профессор регенеративной медицины в Гарварде Паола Арлотта (Paola Arlotta). — В этом исследовании мы смотрели на кору головного мозга через очень точную линзу, практически профилируя все её клетки, одну за другой, каждый день развития. Мы каталогизировали изменения в экспрессии и регуляции генов с беспрецедентным временным разрешением, чтобы построить первую молекулярную карту этой удивительной ткани с разрешением в одну клетку. Карта позволила нам извлечь первые механистические принципы, управляющие тем, как строится кора головного мозга, и начать разбираться, как генетические аномалии влияют на процессы развития эмбриона».
«В развивающемся мозге мы должны учитывать три вещи: типы задействованных клеток, где эти клетки расположены и на какой стадии развития они находятся. Кроме того, определив движущие силы, которые направляют этот процесс при нормальном развитии, мы можем лучше понять, что может пойти не так при болезни», — уточняет ещё одна из авторов исследования, Авив Регев (Aviv Regev).
Исследователи сосредоточились на области мозга, известной как соматосенсорная кора. Она может быть моделью и для других областей коры головного мозга, так как содержит клетки, представляющие все её основные классы. Для каждого дня развития коры исследователи анализировали мозг, используя несколько методов, позволяющих наблюдать за процессом на клеточном уровне. Применялось РНК-секвенирование для определения экспрессии генов, а пространственная транскриптомика позволила проследить за тем, где именно в ткани гены экспрессируются.
Использовалась и ещё одна сравнительно новая технология — ATAC-seq, с её помощью можно понять, какие части генома доступны для регуляции.
«Эти технологии позволили нам взглянуть на различные способы экспрессии генов и на то, как гены регулируют друг друга. Объединив эти три модальности, мы получаем более точное представление о том, какие гены важны, например, для управления развитием нейронов», — говорит соавторка работы, Даниэла Ди Белла (Daniela Di Bella).
Например, было неясно, когда именно в коре головного мозга формируется разнообразие различных разновидностей нейронов.
«Мы обнаружили, что направление развития нейронов определяются в процессе их созревания, а не заранее устанавливаются в стволовых клетках», — говорит Ди Белла.
Исследователи использовали полученные данные, чтобы предсказать последствия генетической мутации; это возможно при понимании того, на каком этапе развития происходит сбой и какие клетки в итоге развиваются не по плану.
«Мы создали уникальный полный молекулярный атлас развивающейся соматосенсорной коры и продолжаем получать новые данные, — говорит ещё один участник исследования, Эхсан Хабиби (Ehsan Habibi). — Наша цель состоит в том, чтобы наши материалы послужили ресурсом для нейробиологического сообщества и дали широкое понимание того, как развивается мозг, как нормально, так и патологически».
«Эти комплексные обширные измерения впервые дали нам динамическое представление о симфонии молекулярных событий, которые разворачиваются по мере того, как эта критическая область мозга строится в эмбрионе, — говорит Паола Арлотта. — Процесс развития коры головного мозга изучается на протяжении более чем ста лет, но механистические события, которые управляют тем, как развиваются клетки и как они взаимодействуют, чтобы в конечном итоге сформировать функциональную схему, остаются непрояснёнными. Мы, нейробиологи, исторически рассматривали эту сложную развивающуюся ткань по одному типу клеток за раз и исследовали небольшое количество генов, стараясь понять их роли в соединении кусочков этой удивительной головоломки. Но в мозге не формируется лишь один тип клеток единовременно — это настоящая симфония в том смысле, что сотни типов клеток развиваются вместе, используя сменяющие друг друга гены для формирования взрослой ткани. Теперь представьте себе, что вы впервые получили полный «рецепт» генов, который использует любой данный класс клеток в процессе своего развития. Представьте себе также получение подробных знаний о «кодах генов», которые включаются или выключаются, когда отдельные линии клеток дифференцируются друг от друга и строятся. Этот тип всеобъемлющего механистического знания дает возможность изучать развитие коры совершенно по-новому, рассматривая все клетки и все гены. У нас никогда не было такой полной информации, и признаюсь, что смотрю на данные с благоговением, думая об открытиях, которое они позволяют совершить».
«Десять лет назад такое исследование было невозможно: технологии либо не существовали, либо ещё не были достаточно зрелыми, — добавляет Регев. — Но с достижениями в области одноклеточной и пространственной транскриптомики, а также новыми алгоритмами машинного обучения для анализа больших данных, мы смогли составить карту, где развиваются клетки, сложить эти карты вместе и наблюдать, как развитие разворачивается с течением времени, как фильм. Мы получили более глубокое биологическое понимание развития мозга и надеемся, что этот подход однажды поможет нам лучше понять и лечить болезни мозга».